(57)【要約】【課題】セパレータ、ガス拡散材を有さない、構造が簡素な固体高分子型燃料電池、および、プロトン伝導性高分子層として、高価かつ耐熱性が劣るスルホン酸基含有フッ素系樹脂を用いない、安価かつ耐熱性が優れた固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池装置を提供すること。【解決手段】絶縁性基板と、絶縁性基板に形成されたガス流路となる複数の貫通孔と、該貫通孔表面に形成されたアノード及びカソードと、該アノードと該カソードに接するように前記絶縁性基板上に形成されたプロトン伝導性高分子層を有する固体高分子型燃料電池であって、前記プロトン伝導性高分子層が、プロトン伝導性物質および結着剤からなり、前記アノードおよび前記カソードが、触媒を担持した電子伝導性物質、プロトン伝導性物質、及び、結着剤からなり、前記プロトン伝導性物質を、スルホン酸基が置換された芳香族化合物とし、前記結着剤を、ポリエーテルスルホンとすること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、該絶縁性基板に形成されたガス流路となる複数の貫通孔と、該貫通孔表面に形成されたアノードおよびカソードと、該アノードと該カソードに接するように前記絶縁性基板上に形成されたプロトン伝導性高分子層を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記アノード、前記カソード、および、該アノードと該カソードに接している前記プロトン伝導性高分子層からなる複数の単電池セルが、前記絶縁性基板の表裏面に配置され、該複数の単電池セルが、配線によって直列または並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記プロトン伝導性高分子層が、プロトン伝導性物質、および、結着剤からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記アノードおよび前記カソードが、触媒を担持した電子伝導性物質、プロトン伝導性物質、および、結着剤からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記プロトン伝導性物質が、スルホン酸基が置換された芳香族化合物からなることを特徴とする請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記結着剤が、ポリエーテルスルホンであることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記触媒が、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、ＯｓおよびＩｒから選ばれた１種または２種以上の金属からなることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記電子伝導性物質が、アセチレンブラックであることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記触媒の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
前記触媒と前記電子伝導性物質の配合比率が、重量比で１：２〜２：１であることを特徴とする請求項４乃至請求項９のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
前記芳香族化合物が、アントラセンまたはその誘導体からなることを特徴とする請求項５乃至請求項１０のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１２】
前記絶縁性基板が、フェノール樹脂基板、または、エポキシ樹脂基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１３】
前記フェノール樹脂基板が、ガラス繊維補強型フェノール樹脂基板であることを特徴とする請求項１２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１４】
前記エポキシ樹脂基板が、ガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板であることを特徴とする請求項１２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池、燃料改質器、該燃料改質器から前記固体高分子型燃料電池のアノードへ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路、前記固体高分子型燃料電池のカソードへ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路、および、前記燃料ガス供給路に一酸化炭素除去装置を設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス拡散材およびセパレータを有さない構造が簡易で安価な固体高分子型燃料電池、並びに、それを用いた固体高分子型燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子型燃料電池のセルデザインとして、固体高分子電解質膜（プロトン伝導性高分子膜）の一方の面にアノード、他方の面にカソードを設けた膜電極接合体（ＭＥＡ）の両側に、セパレータを配した単電池セルを複数個積層したセルデザインが用いられている。（特許文献１参照）
【０００３】
アノードに対向するセパレータ表面には、燃料ガスを流通させるための凹溝状の燃料ガス流路が設けられている。
また、カソードに対向するセパレータ表面には、酸化剤ガスを流通させるための凹溝状の酸化剤ガス流路が設けられている。
【０００４】
固体高分子型燃料電池の発電方法としては、燃料ガス流路に水素を主体とした燃料ガスを供給すると共に、酸化剤ガス流路に酸化剤ガス（通常は空気）を供給することにより、固体高分子電解質膜（プロトン伝導性高分子膜）を介して、（燃料ガスに含まれる）水素と（酸化剤ガスに含まれる）酸素に下記の電気化学反応を生じさせる方法を用いている。
【０００５】
アノード；Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−              （１）
カソード；４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ      （２）
【０００６】
固体高分子電解質膜（プロトン伝導性高分子膜）としては、膜厚が３０〜９０μｍの、パーフルオロアルキレンを主骨格とし、一部にパーフルオロビニルエーテル側鎖を有し、該パーフルオロビニルエーテル側鎖の末端にスルホン酸基を有するフッ素系樹脂膜（以下、スルホン酸基含有フッ素系樹脂膜と記述する）が汎用されている。
【０００７】
固体高分子電解質膜（プロトン伝導性高分子膜）の具体例としては、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、ゴア社製ＧｏｒｅＳｅｌｅｃｔ（登録商標）、旭化成社製Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、旭硝子社製Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）等が挙げられる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−４９２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来の固体高分子型燃料電池のセルデザインは、セパレータや、燃料ガスおよび酸化剤ガスを（アノードおよびカソードに付属する）触媒層の面内に均一に拡散させるためのガス拡散材を必要とするため、構造が複雑で、コストが高くなってしまっている。
【００１０】
また、スルホン酸基含有フッ素系樹脂膜は合成経路が複雑なために高価であり、かつ、耐熱性が低いので固体高分子型燃料電池の運転温度（好ましい運転温度は１００℃〜１２０℃）を１００℃未満に制限しなければならないという問題を抱えている。
【００１１】
また、スルホン酸基含有フッ素系樹脂膜をプロトン伝導性高分子膜として使用するに際しては、スルホン酸基含有フッ素系樹脂膜を水で十分に膨潤しなければならず、このためのシステムが複雑なため、コストが高くなるという問題を生じていた。
【００１２】
本発明の課題は、セパレータおよびガス拡散材を有さない、構造が簡素で安価な固体高分子型燃料電池、および、プロトン伝導性高分子層として、高価かつ耐熱性が劣るスルホン酸基含有フッ素系樹脂を用いない、安価かつ耐熱性が優れた固体高分子型燃料電池および固体高分子型燃料電池装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、絶縁性基板と、該絶縁性基板に形成されたガス流路となる複数の貫通孔と、該貫通孔表面に形成されたアノードおよびカソードと、該アノードと該カソードに接するように前記絶縁性基板上に形成されたプロトン伝導性高分子層を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池である。
【００１４】
固体高分子型燃料電池の構造を絶縁性基板と、絶縁性基板に形成されたガス流路となる複数の貫通孔と、該貫通孔表面に形成されたアノードおよびカソードと、該アノードと該カソードに接するように前記絶縁性基板上に形成されたプロトン伝導性高分子層を有する構造とすることにより、ガス拡散材およびセパレータが不要となり、固体高分子型燃料電池の構造を簡素化でき、固体高分子型燃料電池のコストを下げることができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記アノード、前記カソード、および、該アノードと該カソードに接している前記プロトン伝導性高分子層からなる複数の単電池セルが、前記絶縁性基板の表裏面に配置され、該複数の単電池セルが、配線によって直列または並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００１６】
前記アノード、前記カソード、および、該アノードと該カソードに接している前記プロトン伝導性高分子層からなる複数の単電池セルが、前記絶縁性基板の表裏面に配置され、該複数の単電池セルを、配線によって直列または並列に接続することによって、用途に応じた固体高分子型燃料電池を構成することができるものである。
固体高分子型燃料電池の単電池セルの理論起電圧は１．２３Ｖしかないが、前記単電池セルどうしを、配線を用いて電気的直列に接続することにより、高電圧を得ることが可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、前記プロトン伝導性高分子層が、プロトン伝導性物質、および、結着剤からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００１８】
プロトン伝導性高分子層を、プロトン伝導性物質、および、結着剤で構成することにより、高価かつ耐熱性が劣るスルホン酸基含有フッ素系樹脂膜に替わる、優れたプロトン伝導性を有するプロトン伝導性高分子層を得ることができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、前記アノードおよび前記カソードが、触媒を担持した電子伝導性物質、プロトン伝導性物質、および、結着剤からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００２０】
前記アノードおよび前記カソードを、触媒を担持した電子伝導性物質、プロトン伝導性物質、および、結着剤で構成することにより、前記式（１）（２）の反応を効率良く行うことができる。
【００２１】
触媒は、前記式（１）（２）の反応を促進させる役割を有する。
【００２２】
電子伝導性物質は、（カソードに付属する）触媒反応部への電子の供給、（アノードに付属する）触媒反応部からの電子の回収の役割を有する。
【００２３】
プロトン伝導性物質は、（アノードに付属する）触媒反応部で発生したプロトンを伝導する役割を有する。
【００２４】
結着剤は、触媒を担持した電子伝導性物質と、プロトン伝導性物質を結着する役割を有する。
【００２５】
請求項５に記載の発明は、前記プロトン伝導性物質が、スルホン酸基が置換された芳香族化合物からなることを特徴とする請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００２６】
スルホン酸基が置換された芳香族化合物は、スルホン化および炭化という簡易な工程で安価に合成でき、プロトン伝導度が高い。
これを用いてなるプロトン伝導性高分子のプロトン伝導度は、１．１×１０−１〜１．２×１０−１Ｓｃｍ−１であり、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）と同等のプロトン伝導度を示す。
【００２７】
スルホン酸基はプロトン伝導に寄与し、スルホン酸基密度が高い方が、プロトン伝導度が高い。
【００２８】
芳香族化合物は多くのポリエン構造を持ち、スルホン酸基を置換し易い。
【００２９】
請求項６に記載の発明は、前記結着剤が、ポリエーテルスルホンであることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００３０】
ポリエーテルスルホンは、固体高分子型燃料電池の運転環境に耐えうる、耐熱性、耐酸化劣化性、耐還元劣化性、寸法安定性、耐衝撃性に優れた結着剤である。
【００３１】
請求項７に記載の発明は、前記触媒が、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、ＯｓおよびＩｒから選ばれた１種または２種以上の金属からなることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００３２】
触媒は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、ＯｓおよびＩｒから選ばれた１種または２種以上の金属からなるが、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、ＯｓおよびＩｒは１Ｂ族または８族に族し、酸素還元能力、水素酸化能力が高いので、触媒効率の良い燃料電池を作製することができる。
【００３３】
請求項８に記載の発明は、前記電子伝導性物質が、アセチレンブラックであることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００３４】
アセチレンブラックは電子伝導性に優れ、電子移動手段としては最適である。
【００３５】
請求項９に記載の発明は、前記触媒の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００３６】
触媒の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））を１ｎｍ以上５ｎｍ以下にすることにより、触媒の単位重量当たりの表面積が非常に大きい、触媒効率の良い出力特性に優れた燃料電池を作製することができる。
【００３７】
触媒の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））を１ｎｍ未満にするのは困難で、コストが高くなってしまう。
また、触媒の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））が５ｎｍを超えると、触媒の単位重量当たりの表面積が小さくなり、触媒効率が悪くなり、固体高分子型燃料電池の起電力が低くなってしまう。
【００３８】
請求項１０に記載の発明は、前記触媒と前記電子伝導性物質の配合比率が、重量比で１：２〜２：１であることを特徴とする請求項４乃至請求項９のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００３９】
前記触媒と前記電子伝導性物質の配合比率を、重量比で１：２〜２：１にすることにより、触媒効率および出力特性に優れた固体高分子型燃料電池を作製することができる。（実施例および比較例参照）
【００４０】
請求項１１に記載の発明は、前記芳香族化合物が、アントラセンまたはその誘導体からなることを特徴とする請求項５乃至請求項１０のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００４１】
芳香族化合物の中で、アントラセンは、最もスルホン酸基を置換し易い。
【００４２】
請求項１２に記載の発明は、前記絶縁性基板が、フェノール樹脂基板、または、エポキシ樹脂基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００４３】
前記絶縁性基板を、フェノール樹脂基板、または、エポキシ樹脂基板とすることにより、固体高分子型燃料電池の動作温度（８０〜１２０℃）に耐久可能な固体高分子型燃料電池を得ることができるものである。
【００４４】
請求項１３に記載の発明は、前記フェノール樹脂基板が、ガラス繊維補強型フェノール樹脂基板であることを特徴とする請求項１２に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００４５】
前記フェノール樹脂基板として、ガラス繊維補強型フェノール樹脂基板を用いることにより、高強度かつ寸法安定性の良い固体高分子型燃料電池を得ることができるものである。
【００４６】
請求項１４に記載の発明は、前記エポキシ樹脂基板が、ガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板であることを特徴とする請求項１２に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００４７】
前記エポキシ樹脂基板として、ガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板を用いることにより、高強度かつ寸法安定性の良い固体高分子型燃料電池を得ることができるものである。
【００４８】
請求項１５に記載の発明は、請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池、燃料改質器、該燃料改質器から前記固体高分子型燃料電池のアノードへ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路、前記固体高分子型燃料電池のカソードへ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路、および、前記燃料ガス供給路に一酸化炭素除去装置を設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池装置である。
【００４９】
固体高分子型燃料電池装置の構成として、請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池、燃料改質器、該燃料改質器から前記固体高分子型燃料電池のアノードへ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路、前記固体高分子型燃料電池のカソードへ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路、および、前記燃料ガス供給路に一酸化炭素除去装置を設けたことにより、アノードに付属する触媒のＣＯ被毒による活性低下を防止した固体高分子型燃料電池装置を作製することができる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明により、セパレータおよびガス拡散材を有さない、構造が簡素で安価な固体高分子型燃料電池、および、プロトン伝導性高分子層として、高価かつ耐熱性が劣るスルホン酸基含有フッ素系樹脂を用いない、安価かつ耐熱性が優れた固体高分子型燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
本発明の固体高分子型燃料電池の構造を、図１を基に説明する。
【００５２】
本発明の固体高分子型燃料電池は、貫通孔２０（燃料ガス流路）および貫通孔４０（酸化剤ガス流路）が形成された絶縁性基板１０´と、貫通孔２０（燃料ガス流路）表面に形成されたアノード２と、貫通孔４０（酸化剤ガス流路）表面に形成されたカソード４と、該アノード２と該カソード４に接するように前記絶縁性基板１０´上に形成されたプロトン伝導性高分子層３と、配線１を有した構造となっている。
【００５３】
アノード２、カソード４には触媒を担持した電子伝導性物質、プロトン伝導性物質、および、結着剤が含まれる。
【００５４】
本発明の固体高分子型燃料電池の動作を、図２を基に説明する。
【００５５】
燃料ガス中のＨ２は、貫通孔２０（燃料ガス流路）からアノード２に含まれる触媒表面に供給され、触媒の働きによって下記の式（３）の反応によってＨ＋とｅ−とに分れる。（図２（ａ）（ｂ）参照）
【００５６】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−      （３）
【００５７】
アノード２に含まれる触媒表面にて発生したＨ＋は、アノード２に含まれるプロトン伝導性物質を介して、プロトン伝導性高分子層３に到達し、その後、プロトン伝導性高分子層３を通り、その後、カソード４に含まれるプロトン伝導性物質を介して、カソード４に含まれる触媒表面に達する。（図２（ｂ）参照）
【００５８】
アノード２に含まれる触媒表面にて発生したｅ−は外部回路１００を通ってカソード４に含まれる触媒表面に達する。（図２（ｂ）参照）
【００５９】
カソード４に含まれる触媒表面に達したＨ＋およびｅ−は、貫通孔４０（酸化剤ガス流路）からカソード４に含まれる触媒表面に達した酸素と、カソード４に含まれる触媒の働きにより、下記の式（４）の反応によってＨ２Ｏとなる。（図２（ｃ）（ｄ）参照）
【００６０】
４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ      （４）
【００６１】
本発明の固体高分子型燃料電池の作製方法を、図３を基に説明する。
【００６２】
まず、絶縁性基板１０に貫通孔２０（燃料ガス流路）、貫通孔４０（酸化剤ガス流路）を形成する。（図３（ｂ）参照）
【００６３】
絶縁性基板１０としては、フェノール樹脂基板、または、エポキシ樹脂基板を用いることができ、フェノール樹脂基板としては、ガラス繊維補強型フェノール樹脂基板が好ましく、エポキシ樹脂基板としては、ガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板が好ましい。
【００６４】
貫通孔２０（燃料ガス流路）、貫通孔４０（酸化剤ガス流路）の形成方法としては、打ち抜き加工法、ドリル加工法または、レーザ加工法を用いることができる。
【００６５】
次に、貫通孔２０（燃料ガス流路）表面にアノード２、および、貫通孔４０（酸化剤ガス流路）表面にカソード４を形成する。（図３（ｃ）参照）
【００６６】
アノード２およびカソード４の材料としては、プロトン伝導性物質であるスルホン酸基が置換された芳香族化合物、および、電子伝導性物質であるアセチレンブラック、および、触媒であるＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、ＯｓおよびＩｒから選ばれた１種または２種以上の金属、および、結着剤であるポリエーテルスルホンを用いることができる。
【００６７】
アノード２およびカソード４の形成方法としては、触媒を担持した電子伝導性物質、プロトン伝導性物質、および、結着剤を、溶媒（Ｎ−メチル−１−ピロリドン、イソプロピルアルコール、ノルマルプロピルアルコールなど）に溶解して触媒インクを生成した後、触媒インクを（貫通孔を形成した）絶縁性基板１０´上にスクリーン印刷する方法を用いることができる。
【００６８】
触媒を担持した電子伝導性物質の作製方法としては、電子伝導性物質を酸化処理して、電子伝導性物質の表面にカルボキシル基などの酸性基を形成した後、触媒を有する錯体陽イオンを溶存種として含有する溶液に浸漬して、電子伝導性物質表面の酸性基に存在するイオンを触媒を有する錯体陽イオンとイオン交換させることによって、電子伝導性物質表面に触媒を有する錯体を担持した後、溶液から濾別し、その後、蒸留水で洗浄し、その後、還元する方法を用いることができる。
【００６９】
触媒と電子伝導性物質は、重量比で１：２〜２：１の範囲にすることが好ましい。
【００７０】
次に、アノード２およびカソード４に接するように（貫通孔を形成した）絶縁性基板１０´上にプロトン伝導性高分子層３を形成する。（図３（ｄ）参照）
【００７１】
プロトン伝導性高分子層３の材料としては、プロトン伝導性物質であるスルホン酸基が置換された芳香族化合物、および、結着剤であるポリエーテルスルホンを用いることができる。
【００７２】
プロトン伝導性高分子層３の形成方法としては、プロトン伝導性物質、および、結着剤を、溶媒（Ｎ−メチル−１−ピロリドン、イソプロピルアルコール、ノルマルプロピルアルコールなど）に溶解してプロトン伝導性高分子層前駆体インクを生成した後、該プロトン伝導性高分子層前駆体インクをアノード２およびカソード４に接するように（貫通孔を形成した）絶縁性基板１０´上にスクリーン印刷する方法を用いることができる。
【００７３】
触媒と電子伝導性物質は、重量比で１：２〜２：１の範囲にすることが好ましい。
【００７４】
次に、配線１を絶縁性基板１０´上に形成する。（図３（ｅ）参照）
【００７５】
配線１の材料としては、銀の微粉末を有機溶媒と樹脂中に分散させた銀ペーストや、銅の微粉末を有機溶媒と樹脂中に分散させた銅ペーストを用いることができる。
【００７６】
有機溶媒としては、ブチルカルビトールを用いることができる。
【００７７】
樹脂としては、ビニル基を有するフェノール樹脂を用いることができる。
【００７８】
配線１の形成方法としては、銀ペーストまたは銅ペーストを粘度３０〜４０Ｐａ・ｓに調整し、その後、スクリーン印刷する方法を用いることができる。
【実施例１】
【００７９】
（絶縁性基板への貫通孔の形成）
まず、厚さ８０μｍのガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板（ＦＲ−４）（日立化成工業社製、ＭＣＬ−Ｅ−６７）に付着したゴミを、エアーガンを用いて除去した後、鉄板にベークライトを重ねて構成した打抜台上にセットした。
【００８０】
次に、打抜台上にセットしたガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板をプレス機に組み込んだ打抜刃で打ち抜き、ガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板に直径３ｍｍの貫通孔を２０孔形成した。
【００８１】
（スルホン酸基が置換された芳香族化合物の作製）
アントラセン４０ｇを濃硫酸（９６％）６００ｍｌに溶解し、２５０℃下において１５時間加熱し、その後、濃硫酸を濾別除去し、その後、残留物を水洗し、スルホン酸基が置換された芳香族化合物（スルホン酸密度＝４．６ｍｍｏｌ／ｇ）を得た。
【００８２】
（スルホン酸基が置換された芳香族化合物のプロトン導電率の測定）
まず、スルホン酸基が置換された芳香族化合物を、金型を用いて一軸成形し、その後、静水圧プレス（ＣＩＰ）を用いて２０００ｋｇ／ｃｍ２の圧力にて、円柱状（直径１０ｍｍ×高さ０．７ｍｍ）ディスクに成形した。
【００８３】
次に、円柱状ディスクの両面にＰｔを蒸着して測定用電極を形成した。
【００８４】
次に、測定用電極を、導線を介してインピーダンスアナライザの端子に接続した。
【００８５】
次に、円柱状ディスクの状態を１００℃、湿度０％（カールフィッシャー法にて測定）にした後、公知の交流インピーダンス法を用いて、測定周波数２０ｋＨｚの条件にて、円柱状ディスクのオーミック抵抗を測定した。
【００８６】
スルホン酸基が置換された芳香族化合物のプロトン導電率は、交流インピーダンス法を用いて測定した円柱状ディスク抵抗値（測定装置中のリード抵抗成分は補正した）および円柱状ディスクの寸法から算出した。
【００８７】
スルホン酸基が置換された芳香族化合物のプロトン導電率は１．４×１０−１Ｓ・ｃｍ−１であった。
【００８８】
（Ｐｔ触媒を担持した電子伝導性物質の作製）
アセチレンブラック（比表面積２５７ｍ２／ｇ）（Ｃａｂｏｔ社製、Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ−７２Ｒ）２５ｇを、０．５ｍｏｌ／リットル過マンガン酸カリウム水溶液１０リットルに入れ、７５℃下において、５時間反応させた。
【００８９】
次に、反応生成物を濾別し、７５℃の蒸留水を用いて洗浄し、１０５℃下において乾燥した後、白金含有量１０ｇ／リットルのヘキサアンミン白金（ＩＶ）塩化物（［Ｐｔ（ＩＶ）（ＮＨ３）６］Ｃｌ４）水溶液に室温で浸漬してイオン交換した。
【００９０】
次に、反応液から反応生成物を濾別し、その後、反応生成物を７５℃の蒸留水を用いて洗浄し、その後、１０５℃下において乾燥させた後、気温１８０℃の水素気流中において還元することにより、Ｐｔ触媒を担持した電子伝導性物質を得た。
【００９１】
（触媒インクの調整）
以下の組成になるように、平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））が１ｎｍのＰｔ（触媒）を担持したアセチレンブラック（電子伝導性物質）（Ｐｔ重量：アセチレンブラック重量＝１：２）、前記スルホン酸基が置換された芳香族化合物（プロトン伝導性物質）、および、ポリエーテルスルホン（結着剤）を溶媒に溶解し、その後、周波数４０ｋＨｚで１５分間超音波撹拌することにより、触媒インクを調整した。
・Ｐｔ（触媒）を担持したアセチレンブラック（電子伝導性物質）          ７．５重量％
・スルホン酸基が置換された芳香族化合物（プロトン伝導性物質）        ２．５重量％
・ポリエーテルスルホン（結着剤）                                  １０．０重量％
・Ｎ−メチル−１−ピロリドン（溶媒）                              ３０．０重量％
・イソプロピルアルコール（溶媒）                                  ２５．０重量％
・ノルマルプロピルアルコール（溶媒）                              ２５．０重量％
【００９２】
触媒インクの粘度を、回転粘度計（リオン社製、ビスコテスターＶＴ−０４）を用いて測定したところ、触媒インクの粘度は、２５℃下において３．０×１０２ｍＰａ・ｓであった。
【００９３】
（プロトン伝導性高分子層前駆体インクの調整）
以下の組成になるように、前記スルホン酸基が置換された芳香族化合物（プロトン伝導性物質）、および、ポリエーテルスルホン（結着剤）を溶媒に溶解し、その後、周波数４０ｋＨｚで１５分間超音波撹拌することにより、プロトン伝導性高分子層前駆体インクを調整した。
・スルホン酸基が置換された芳香族化合物（プロトン伝導性物質）      １０．０重量％
・ポリエーテルスルホン（結着剤）                                  １０．０重量％
・Ｎ−メチル−１−ピロリドン（溶媒）                              ３０．０重量％
・イソプロピルアルコール（溶媒）                                  ２５．０重量％
・ノルマルプロピルアルコール（溶媒）                              ２５．０重量％
【００９４】
プロトン伝導性高分子層前駆体インクの粘度を、回転粘度計（リオン社製、ビスコテスターＶＴ−０４）を用いて測定したところ、プロトン伝導性高分子層前駆体インクの粘度は、２５℃下において３．１×１０２ｍＰａ・ｓであった。
【００９５】
（固体高分子型燃料電池の作製）
まず、前記調整した触媒インクを＃２５０ＳＵＳメッシュ×乳剤厚２０μｍ×線径０．０５ｍｍのスクリーン上に載せた。
【００９６】
次に、スキージ圧５ｋｇｆ／ｃｍ２、スキージ速度１００ｍｍ／秒、スクリーンと前記貫通孔形成済みのガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板のクリアランスが２．５ｍｍの条件にて触媒インクを貫通孔形成済みのガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板上に押し出し（スクリーン印刷し）、その後、窒素雰囲気中において１２０℃下で１時間の熱処理を施し、その後、３０分間放冷し、ガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板に形成された貫通孔表面にアノードおよびカソードを形成した。
【００９７】
次に、前記調整したプロトン伝導性高分子層前駆体インクを＃２５０ＳＵＳメッシュ×乳剤厚２０μｍ×線径０．０５ｍｍのスクリーン上に載せた。
【００９８】
次に、スキージ圧５ｋｇｆ／ｃｍ２、スキージ速度１００ｍｍ／秒、スクリーンと前記アノードおよびカソード形成済みのガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板のクリアランスが２．５ｍｍの条件にてプロトン伝導性高分子層前駆体インクを、アノードおよびカソードと接するように貫通孔形成済みのガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板上に押し出し（スクリーン印刷し）、その後、窒素雰囲気中において１２０℃下で１時間の熱処理を施し、その後、３０分間放冷することにより、プロトン伝導性高分子層を形成した。
【００９９】
次に、導電性銀ペースト（株式会社アサヒ化学研究所製、ＬＳ−５０４Ｊ）を、ブチルカルビトールを用いて希釈することにより、粘度３．５×１０２ｍＰａ・ｓ（２５℃下における回転粘度計（リオン社製、ビスコテスターＶＴ−０４）測定値）に調整した。
【０１００】
次に、調整した導電性銀ペーストを＃２００ＳＵＳメッシュ×乳剤厚２０μｍ×線径０．０５ｍｍのスクリーン上に載せた。
【０１０１】
次に、スキージ圧５ｋｇｆ／ｃｍ２、スキージ速度１００ｍｍ／秒、スクリーンとプロトン伝導性高分子層形成済みのガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板のクリアランスが２．５ｍｍの条件にて、導電性銀ペーストをアノードおよびカソードに接するようにガラス繊維補強型エポキシ樹脂基板上に押し出し（スクリーン印刷し）、その後、窒素雰囲気中において１５０℃下で３０分間の熱処理を施した後、３０分間放冷することにより、（アノードおよびカソードからなる）電極対１０セットを電気的直列に接続するための配線を作製した。
【０１０２】
（固体高分子型燃料電池の起電力の測定）
次に、固体高分子型燃料電池の貫通孔（燃料ガス通路）に燃料ガス導入管を、また、固体高分子型燃料電池の貫通孔（酸化剤ガス通路）に酸化剤ガス導入管を接続し、燃料ガス導入管に、組成がＨ２：ＣＯ２：Ｈ２Ｏ＝８２：８：１０である燃料ガス（１００℃、相対湿度０％）を流量０．３リットル／分の割合で流し、同時に、酸化剤ガス導入管に酸素ガス（１００℃、相対湿度０％）を流量１．０リットル／分の割合で流しながら、固体高分子型燃料電池を１００℃、相対湿度０％の条件にて１０時間保管した。
【０１０３】
１０時間保管後における、固体高分子型燃料電池のプロトン伝導性高分子の含水率は、湿度０％（カールフィッシャー法にて測定）であった。
【０１０４】
この時の固体高分子型燃料電池の起電力は、１０．４Ｖであり、良好な出力が得られたことを確認した。
【実施例２】
【０１０５】
Ｐｔ（触媒）の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））を３ｎｍにした以外は、実施例１と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１０６】
固体高分子型燃料電池の起電力は、９．８Ｖであり、良好な出力が得られたことを確認した。
【実施例３】
【０１０７】
Ｐｔ（触媒）の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））を５ｎｍにした以外は、実施例１と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１０８】
固体高分子型燃料電池の起電力は、９．０Ｖであり、良好な出力が得られたことを確認した。
【実施例４】
【０１０９】
Ｐｔ（触媒）重量：アセチレンブラック（電子伝導性物質）重量＝１：１にした以外は、実施例１と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１１０】
固体高分子型燃料電池の起電力は、１１．１Ｖであり、良好な出力が得られたことを確認した。
【実施例５】
【０１１１】
Ｐｔ（触媒）の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））を３ｎｍ、Ｐｔ（触媒）重量：アセチレンブラック（電子伝導性物質）重量＝１：１にした以外は、実施例１と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１１２】
固体高分子型燃料電池の起電力は、１０．５Ｖであり、良好な出力が得られたことを確認した。
【実施例６】
【０１１３】
Ｐｔ（触媒）の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））を５ｎｍ、Ｐｔ（触媒）重量：アセチレンブラック（電子伝導性物質）重量＝１：１にした以外は、実施例１と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１１４】
固体高分子型燃料電池の起電力は、９．６Ｖであり、良好な出力が得られたことを確認した。
【実施例７】
【０１１５】
Ｐｔ（触媒）重量：アセチレンブラック（電子伝導性物質）重量＝２：１にした以外は、実施例１と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１１６】
固体高分子型燃料電池の起電力は、１１．８Ｖであり、良好な出力が得られたことを確認した。
【実施例８】
【０１１７】
Ｐｔ（触媒）の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））を３ｎｍ、Ｐｔ（触媒）重量：アセチレンブラック（電子伝導性物質）重量＝２：１にした以外は、実施例１と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１１８】
固体高分子型燃料電池の起電力は、１０．６Ｖであり、良好な出力が得られたことを確認した。
【実施例９】
【０１１９】
Ｐｔ（触媒）の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））を５ｎｍ、Ｐｔ（触媒）重量：アセチレンブラック（電子伝導性物質）重量＝２：１にした以外は、実施例１と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１２０】
固体高分子型燃料電池の起電力は、１０．１Ｖであり、良好な出力が得られたことを確認した。
【０１２１】
＜比較例１＞
Ｐｔ（触媒）の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））を１０ｎｍにした以外は、実施例１と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１２２】
固体高分子型燃料電池の起電力は、７．２Ｖであった。
【０１２３】
＜比較例２＞
Ｐｔ（触媒）の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））を１０ｎｍに、Ｐｔ（触媒）重量：アセチレンブラック（電子伝導性物質）重量＝１：１にした以外は、実施例１と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１２４】
固体高分子型燃料電池の起電力は、７．５Ｖであった。
【０１２５】
＜比較例３＞
Ｐｔ（触媒）の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））を１０ｎｍに、Ｐｔ（触媒）重量：アセチレンブラック（電子伝導性物質）重量＝２：１にした以外は、実施例１と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１２６】
固体高分子型燃料電池の起電力は、７．８Ｖであった。
【０１２７】
＜比較例４＞
Ｐｔ（触媒）重量：アセチレンブラック（電子伝導性物質）重量＝１：３にした以外は、実施例１と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１２８】
固体高分子型燃料電池の起電力は、７．１Ｖであった。
【０１２９】
＜比較例５＞
Ｐｔ（触媒）の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））を５ｎｍに、Ｐｔ（触媒）重量：アセチレンブラック（電子伝導性物質）重量＝１：３にした以外は、実施例１と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１３０】
固体高分子型燃料電池の起電力は、６．８Ｖであった。
【０１３１】
＜比較例６＞
Ｐｔ（触媒）重量：アセチレンブラック（電子伝導性物質）重量＝３：１にした以外は、実施例７と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１３２】
固体高分子型燃料電池の起電力は、１１．８Ｖであった。
【０１３３】
実施例７よりもＰｔを多量に使用したが、起電力は実施例７と同じで、高価なＰｔの使用量を増やした意味が見出されなかった。
【０１３４】
＜比較例７＞
Ｐｔ（触媒）重量：アセチレンブラック（電子伝導性物質）重量＝３：１にした以外は、実施例９と同様に固体高分子型燃料電池を作製し、固体高分子型燃料電池の起電力を測定した。
【０１３５】
固体高分子型燃料電池の起電力は、１０．１Ｖであった。
【０１３６】
実施例９よりもＰｔを多量に使用したが、起電力は実施例９と同じで、高価なＰｔの使用量を増やした意味が見出されなかった。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明の、固体高分子型燃料電池およびその製造方法、並びに、それを用いた固体高分子型燃料電池装置は、パソコン、ビデオカメラ、家庭用給湯器、ロボット、衛星、電気自動車、携帯端末装置（携帯電話、ＰＤＡ等）などの電源に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池の構造を説明するための正面図である。
【図２】本発明の固体高分子型燃料電池の動作を説明するための図である。
【図３】本発明の固体高分子型燃料電池の作製方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【０１３９】
１・・・・・配線
２・・・・・アノード
３・・・・・プロトン伝導性高分子層
４・・・・・カソード
１０・・・・絶縁性基板
１０´・・・（貫通孔を形成した）絶縁性基板
２０・・・・貫通孔（燃料ガス流路）
４０・・・・貫通孔（酸化剤ガス流路）
１００・・・外部回路
【図１】
2007324020.tif 000003
【図２】
2007324020.tif 000004
【図３】
2007324020.tif 000005